[發明專利]一種多懸臂梁壓電換能器電路

有效

• 申請號: 201410005945.2
• 申請日: 2014-01-07
• 公開（公告）號: CN103715941A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 李朋偉;羅翠線;胡杰;李剛;劉穎;桑勝波;張文棟
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及微能源技術領域，尤其涉及微能源技術領域中的壓電換能電路，具體為一種多懸臂梁壓電換能器電路。

背景技術

在科技飛速發展的今天，能源的重要性不言而喻，人們一直以來都非常關注周圍環境及工業設備自身中各種能量（如：太陽能、風能、振動能）的回收利用，一般情況下，環境能量密度通常很低，而工程監測設備、醫療檢測儀器和橋梁、樓宇智能監控系統等常用電子設備的功耗較大，環境能量回收過程中所用采能裝置單位體積的采能效率遠遠達不到實際電子設備的需求，且環境能量采集成本高昂。但是，隨著微電子制造技術與微納米技術的進步和發展，微小器件取代傳統龐大電子設備已成必然趨勢。隨著電子器件體積和功耗的不斷降低，利用環境能量來給電子設備供電已成為可能。近幾年來，微能源技術的研究已在世界范圍內得到越來越多研究者的關注。

在眾多環境能量中，振動能量是其中一種相對普遍的能量形式，它廣泛存在于公路、橋梁、樓宇、車輛、船舶、飛行器、機械運作等各種生產和生活中，甚至存在于人的肢體運動、心臟跳動與血液流動等生命過程中。振動能量的采集主要有三種形式：靜電式、電磁式和壓電式。壓電式振動能量采集主要利用壓電效應，壓電材料會將外界振動所產生的應力轉化為電荷輸出，進而產生電信號。與其他兩種振動能量采集方式相比，壓電式能量采集方式的能量密度大，結構簡單便于集成化，這種優勢使基于微能源技術的振動能量采集成為可能。

壓電式能量采集一般選用壓電換能器，然而，壓電換能器所采集到電能具有高壓、交變以及小電流等特征，輸出電壓可達幾伏特到幾十伏特，而提供的電流為微安級，功率是微瓦級，而且不能直接提供給負載，因此需要對壓電換能器產生的電能進行轉換和調整，使其轉化效率與輸出功率達到最大化。目前，國內外關于能量采集電路的設計已有較多研究：公告號為CN102170247N的中國專利設計了一種壓電-磁電復合式振動驅動微能源裝置的能量采集電路，提高了振動能量的輸出與存儲效率，但電路較為復雜，并且只完成了能量存儲設計，沒有直接將電能供給負載。Richard等人基于非線性電壓同步控制處理技術提出了Synchronous?Charge?Extraction、Parallel-SSHI、Series-SSHI等為代表的功率調理電路，提高力電轉化效率和輸出功率，但是其電路只是針對單一頻率的拾振結構，轉化的電能密度自身相對較低。Stephen?P.?Beeby等人做出了一個類似于信用卡大小的能量采集電路，為一個小的CPU供電，將其安裝在飛機上，采集飛機飛行過程中的各種數據并發送回到基站，但其能量轉化效率不高，電路不成熟，沒有得到廣泛應用。彭敏強等人針對寬頻響應的微小型壓電式振動設計出了一種功率調理電路，其中包含同步電荷轉移模塊、電荷匯集電容、可控電壓閾值DC/DC轉換模塊以及儲能器件四個部分，完成了對微能量的存儲，但沒有實際供給負載電能，并且在能量轉化效率方面沒有太大改善。綜合國內外研究現狀可以發現，關于單一振子的能量采集電路研究已較為成熟，但是單一振子振動能量采集器產生的能量較小，能量轉換效率不高。

發明內容

本發明為了解決單一振子振動能量采集器產生的能量較小和能量轉換效率不高的問題，提供了一種多懸臂梁壓電換能器電路。